Основные определения и понятия

Основные определения  и понятия 

 

Устройства приема и  обработки сигналов  используются в технике радиоприема.  Теория и техника радиоприема  –  области  радиотехники, посвященные проблемам  получения информации, содержащейся в радиосигналах.  Радиосигналами называют сигналы, переносимые радиоволнами (электромагнитными волнами).  Качество сигналов характеризуется скоростью, дальностью, объемом, скрытностью и помехоустойчивостью.

Радиоприемное устройство  –  это устройство, предназначенное  для выделения информации из электромагнитных волн. Обычно радиоприемное устройство является частью  радиотехнической системы.  В современных радиотехнических системах в радиоприемном устройстве осуществляется не только прием (в узком смысле), но и обработка сигналов с целью наилучшего извлечения информации.

В системах связи под  информацией  понимается передаваемое сообщение.  Для передачи сообщения  производится  модуляция  несущего колебания  сигнала по одному из параметров. В радиолокации информацией  могут служить  параметры радиосигнала, отраженного от цели: запаздывание, изменение частоты и т.д. 

К основным задачам радиоприема  относятся:

1.  обнаружение   сигнала  –  принятие решения  о его наличии или отсутствии;

2.  различение  сигналов  –  принятие решения о том,  какой из возможных сигналов принят;

3.  измерение параметров  сигала;

4.  фильтрация  сигнала   –  принятие решения относительно  формы модулирующего колебания; 

5.  разрешение  сигналов  –  решение  одной из задач  радиоприема, сформулированных выше, при одновременном действии нескольких сигналов;

6.  распознавание образов   –  принятие решения относительно  источника сигнала по характеристикам  сигнала. 

 

В зависимости от решаемой задачи радиоприемное устройство характеризуется  определенными качественными и  количественными показателями. Например, при обнаружении сигнала на фоне помех определяют вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги. Вместе с тем, вводятся показатели, которые определяют качество радиоприема независимо от решаемой задачи:

чувствительность  –  способность принимать слабые сигналы,

избирательность – способность  выделять полезный сигнал из помех  и т.д.

Состав радиоприемного устройства

В состав радиоприемного устройства (рис. 1.1) входят:

1.  Антенна  –   устройство для улавливания электромагнитных волн из пространства и передачи их приемнику;

2.  Радиоприемник   –  устройство для выделения  сообщения из электрического  сигнала; 

3.  Оконечный аппарат  – устройство для преобразования  электрического сообщения в удобную для потребителя форму.

Рис. 1.1. Состав радиоприемного устройства

 

В дисциплине УПОС изучаются  устройство, характеристики и вопросы  проектирования радиоприемников. По основному  функциональному назначению радиоприемные  устройства делят на профессиональные и вещательные. К профессиональным приемникам относят связные, телеметрические, радиолокационные, телеуправления и многие другие. Они, как правило, отличаются большой сложностью и стоимостью. Вещательные приемники обеспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания. Они имеют невысокую стоимость и, соответственно, при их производстве используются более простые технические решения.

По виду модуляции  принимаемого сигнала  классификация  производится на приемники: 

·  амплитудно-модулированных сигналов;

·  частотно-модулированных сигналов;

·  фазомодулированных сигналов;

·  однополосных сигналов; 

·  импульсно-модулированных сигналов.

 

Первый радиоприемник

 

Изобретателем первого  приемника был А.С.Попов. Схема  первого приемника показана на рис.  1.2.  Приемник А.С. Попова (названный им сначала «грозоотметчиком») содержал все основные части радиоприемника:

·  антенну, 

·  колебательную цепь, 

·  детектор, 

·  регистрирующее устройство. 

 

Рис.1.2. Радиоприемное устройство А.С. Попова:

К- порошковый когерер - детектор электромагнитных волн; М, М1 и М2 -электромагниты;Б - гальваническая батарея; Др - дроссели; 3 - звонок;А - антенна; П - пишущее устройство

 

Гениальной догадкой явилось использование обратной связи  – автоматического механического встряхивания когерера с целью восстановления его чувствительности к появлению поля. Когерер представлял собой стеклянную трубку с двумя торцевыми металлическими электродами. Трубка заполнялась металлическими опилками. В исходном состоянии электрическое сопротивление когерера постоянному току довольно велико, и электрическая цепь, включающая в себя гальваническую батарею, когерер и электромагниты, разомкнута.

При прохождении через  когерер тока высокой частоты, наводимого в антенне электромагнитной волной, опилки спекались между собой, образуя электропроводящий канал, и сопротивление когерера  резко падало. Цепь

питания электромагнита М замыкалась.. Якорь,  притягиваемый  электромагнитом М, замыкал цепь питания более мощного электромагнита М1, который притягивал молоточек, ударявший по чашке звонка и по когереру. При этом связи между частицами внутри когерера разрушались, и его сопротивление  возвращалось  в исходное состояние. После этого приемник был готов для регистрации нового сигнала. В качестве источника электромагнитного излучения использовались искровые разрядники.

Двадцать четвертого  марта 1896г. А.С.Попов впервые в  истории человечества  продемонстрировал  передачу  электрическими сигналами  без проводов осмысленного текста, состоящего из двух слов («Генрих Герц»).

 

Структура и принцип  действия радиоприемных устройств 

 

В соответствии с занимаемым в радиоканале местом РПрУ должны обеспечивать следующие основные функции:

·  выделение полезного сигнала из смеси с шумом или другими мешающими сигналами;

·  усиление полезного сигнала;

·  ослабление мешающего действия помех, присутствующих во входных колебаниях;

·  детектирование радиочастотных сигналов с целью формирования колебаний, соответствующих передаваемому сообщению.

Помимо указанных основных функций для многих современных РПрУ характерно выполнение и других сложных функций: 

·  частотное преобразование принимаемых радиосигналов с целью перенесения в область частот, где обеспечиваются наилучшие условия их обработки; 

·  изменение параметров РПрУ для достижения заданного или наилучшего качества его работы (адаптация) при изменениях электромагнитной обстановки в месте приема, определяемой совокупностью всех помех. Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПрУ, представлена на рис.  1.3. Она состоит из пяти функциональных блоков-трактов.

В  усилительно-преобразовательном тракте  (УТ) осуществляется выделение  полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны А сигналов и помех, не совпадающих по частоте  с полезным сигналом, и усиление последнего до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов.  Непосредственно  с сигналом могут производиться нелинейные процедуры (смещение спектра, ограничение амплитуды и др.),  но  в принимаемую информацию указанный тракт существенных искажений не вносит,  и в этом смысле его можно считать линейным. 

 

Рис. 1.3. Обобщенная структурная  схема РПрУ

 

В  информационном тракте  (ИТ) осуществляется основная обработка  сигнала с целью выделения  содержащейся в нем информации (демодуляции) и ослабление мешающего воздействия помех. При этом важнейшей задачей является выделение  информации с максимальной достоверностью  —  так называемый оптимальный прием. Для этого в составе ИТ предусматриваются оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматической подстройки частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и задержке.

Гетеродинный тракт  (ГТ) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. В современных приемниках может использоваться самостоятельное устройство — синтезатор частот (СЧ), обеспечивающий работу и других подсистем радиосистемы, прежде всего РПрУ.

Тракт адаптации, управления и контроля  (ТАУК) позволяет осуществлять ручное, дистанционное и автоматизированное управление режимом работы РПрУ (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и т.д.) и отражает качество его работы на соответствующих индикаторах. 

В  оконечном устройстве  (ОУ) энергия выделяемого сигнала  используется для получения требуемого выходного эффекта – акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство).

Вторичный источник питания (ВИП) преобразует энергию первичного источника в форму, удобную для  использования непосредственно  в РПрУ. В ВИП может осуществляться преобразование напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация. обладают всеми свойствами, характерными для подсистем сложной системы. Они взаимодействуют с другими элементами радиосистемы (радиопередающим устройством,  антенной, устройствами управления и контроля и др.), с окружающей средой и оператором. Иерархичность структуры РПрУ проявляется в том,что отдельные тракты, блоки и узлы являются управляющими для одних и управляемыми для других элементов подсистемы. Поскольку прием полезных сигналов всегда осуществляется в условиях воздействия недетерминированных, непредсказуемых помех, функционирование приемной подсистемы носит стохастический характер. Рассмотренная структурная схема является наиболее общей, однако в конкретных РПрУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать или выполнять более ограниченный набор функций.

 

Основные типы структурных  схем радиоприемников 

 

По степени сложности  структурной схемы радиоприемники принято делить на следующие типы:

·  детекторные;

·  прямого усиления;

·  прямого преобразования;

·  супергетеродинные.

Наиболее простой схемой является схема детекторного приемника. В детекторном приемнике выполняются  всего две абсолютно необходимых  функции: частотная селекция сигнала (настройка на станцию) и демодуляция (детектирование) сигнала, заключающееся в выделении сообщения.

 

Простейший приемник, выполняющий над радиосигналом  указанные выше операции, состоит  из входной избирательной цепи (одиночного контура), осуществляющего фильтрацию сигнала, и детектора. Структурная схема такого РПрУ представлена на рис. 1.4, а принципиальная – на рис. 1.5. Основные недостатки детекторного приемника  –  слабая избирательность и неспособность принимать слабые сигналы. Слабые сигналы, подаваемые на вход детектора, преобразуются в первичный сигнал с большими искажениями.

Такие приемники применялись  на заре радиотехники, в настоящее  время вследствие присущих им серьезных  недостатков практически не используются, за исключением оптического диапазона волн.

 

Рис. 1.4. Детекторный радиоприемник (структурная схема)

Рис. 1.5. Принципиальная схема детекторного приемника

 

Для улучшения характеристик приемника  используют дополнительную операцию – усиление принятого сигнала.

Усиление может осуществляться как на высокой частоте (до детектора), так и на низкой частоте (после детектора). Усиление до детектора реализуется с помощью усилителей с резонансной нагрузкой, которые обеспечивают дополнительную фильтрацию. Изменяя резонансную частоту контуров в нагрузке усилителей с помощью конденсатора переменной емкости, можно перестраивать приемник по частоте, выделять необходимые полезные сигналы в некотором диапазоне рабочих частот.

Уровень принимаемых сигналов на входе  приемника может  быть различным, а напряжение на входе детектора должно быть постоянным. Поэтому в приемник обычно вводят регулировку усиления. Все выше перечисленные операции реализуются в приемниках прямого усиления, прямого преобразования и в приемниках супергетеродинного типа. Структурная схема  приемника прямого усиления  изображена на рис. 1.6. Усиление сигнала производится непосредственно на частоте принимаемого сигнала вплоть до детектора, т.е. на частоте, которая воспринимается антенной.

В данной структурной  схеме  можно выделить основные тракты радиоприемника: принимаемой и низкой частот. Приемник прямого усиления имеет существенно лучшие, чем детекторный приемник, качественные показатели. К его достоинствам можно отнести высокую стабильность частоты настройки и отсутствие в схеме каких-либо генераторов.

Недостатки приемника  прямого усиления:

·  недостаточно высокая и неравномерная по диапазону частотная

избирательность;

·  неравномерность чувствительности по диапазону.

Рис. 1.6. Структурная схема приемника прямого усиления

 

В качестве УВЧ обычно используются селективные усилители. Они должны перестраиваться по диапазону  согласованно с входным устройством  ВхУ. Для упрощения схемы могут  использоваться апериодические усилители. Принципиальная схема простого приемника прямого усиления приведена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Принципиальная схема приемника  прямого усиления

 

В схеме использована магнитная антенна. Радиосигнал  выделяется в контуре входной  цепи  C1  L1  и поступает на апериодический усилитель на транзисторах  VT1,  VT2  и VT3. Далее звуковой сигнал выделяется амплитудным детектором на диоде VD1  и усиливается усилителем низких частот, собранном на транзисторах VT4, VT5.

Приемник прямого усиления не всегда может обеспечить необходимую  частотную избирательность. Действительно, определим полосу пропускания П приемника прямого усиления на уровне 0,707, если его входная цепь состоит из одиночного колебательного контура, добротность которого QK = 60. Приемник настроен на частоту  540 кГц, что соответствует нижней границе средневолнового диапазона. Приняв УРЧ апериодическим, находим П  = 540  /  60 = 9 кГц. Поскольку несущая частота соседней станции в рассматриваемом диапазоне отстоит на расстоянии 9 кГц, то в первом приближении можно считать, что такой приемник может выделить нужную станцию. Однако, если приемник настраивается на частоту 1600 кГц, соответствующую верхней границе средневолнового диапазона, то здесь при тех же параметрах контура получим полосу пропускания П = 26,6 кГц.

Приемник принимает программы не одной, а одновременно как минимум трех вещательных станций  (рис. 1.8).  Очевидно, что на более высоких частотах полоса пропускания приемника будет столь широка, что из-за действия помех прием станет невозможным.

Рис. 1.8. Избирательность приемника прямого усиления

 

Для получения высокой  чувствительности приемника усилитель  радиочастоты должен обеспечивать высокое  усиление. Для получения большого усиления при небольшом числе  каскадов используют положительные обратные связи.

В  приемниках  регенеративного типа  усиленные высокочастотные колебания из выходной цепи усилителя радиочастоты подаются к цепям входа в фазе с колебаниями, поступающими из антенны. Положительная обратная связь увеличивает добротность колебательного контура входной цепи, что позволяет получить более  высокую избирательность приемника и более высокую чувствительность.  В принципиальной схеме на рис. 1.7 первый каскад охвачен положительной обратной связью и является регенератором. Однако такие приемники нестабильны в работе.

В приемниках суперрегенеративного типа используется обратная связь, периодически изменяемая с ультразвуковой частотой таким образом, что в части  периода она положительна, а в  другой части периода  – отрицательна. Этим достигается большая устойчивость и стабильность работы каскада. Однако такие приемники имеют недостаточную частотную избирательность и дают  значительные  искажения сигналов. Кроме того, как и приемники регенеративного типа, они дают заметное собственное излучение в антенну.

 

Структурная схема приемника супергетеродинного типа.

 

Приемник, в котором  частота сигнала  до детектора  преобразуется в некоторую постоянную, обычно достаточно низкую частоту, называют приемником  супергетеродинного  типа. Частота, в которую преобразуются  сигналы, называется промежуточной частотой.

Закон изменения модулирующего  параметра сигнала в преобразователе  частоты не изменяется. Назначение преобразователя частоты состоит  в переносе (преобразовании) высокой  радиочастоты принимаемого сигнала  на промежуточную частоту без изменения закона модуляции. Функциональная схема преобразователя частоты и диаграммы напряжения на его входе и выходе приведены на рис. 1.9.

 

Рис. 1.9. Функциональная схема преобразователя  частоты

 

Преобразователь частоты  состоит из нелинейного элемента (смесителя) и местного генератора частоты  fгет  (гетеродина). На вход смесителя преобразователя частоты поступает напряжение с частотой сигнала fc и гармоническое напряжение от гетеродина с частотой fгет.

Из курса теории цепей  известно, что ток нелинейного элемента преобразователя частоты содержит ряд гармоник с частотами: где п, т = 0; ±1; ±2; ... − целые положительные и отрицательные числа. Избирательная система, включенная в нагрузке преобразователя, выделяет одну полезную компоненту, называемую промежуточной частотой.

Для образования  промежуточной  частоты  обычно используется разностное

преобразование вида  fп = fc  - fг или  fп =  fг  - fс . Если  fг > fc, говорят о верхней  настройке гетеродина, если наоборот – то о нижней.

Первые супергетеродины не представляли видимого преимущества по сравнению с приемником прямого усиления, главным образом из-за плохого качества ламп. Поэтому после его изобретения усилия ученых направлялись на совершенствование приемника прямого усиления,  в частности, за счет использования в некоторых каскадах усиления регенерации (регенеративные приемники). Окончательный перелом в сторону супергетеродина произошел в связи с появлением качественных ламп (пентодов) и быстрым освоением декаметрового диапазона волн, где преимущества супергетеродина очевидны.

Структурная схема супергетеродина  представлена на рис. 1 .10. 

Рис. 1.10. Структурная схема супергетеродинного приемника

 

Схема содержит:

·  тракт принимаемой (высокой) частоты;

·  тракт промежуточной частоты;

·  тракт низкой частоты.

Тракт принимаемой (высокой) частоты содержит входное устройство и несколько резонансных усилителей высокой частоты (1 – 3 каскада). Входное  устройство также содержит 1  –  2 контура. Все резонансные системы  настраиваются на частоту принимаемого сигнала.

Тракт промежуточной  частоты  –  часть схемы приемника  от входа смесителя до входа детектора. В этом тракте реализуются основная избирательность приенмика по соседним каналам приема и усиление, необходимое  для работы детектора.

Тракт низкой частоты  –  часть схемы от выхода детектора  до выхода приемника (до входа оконечного устройства). Детектор обеспечивает извлечение информации из принимаемого сигнала, преобразуя его в низкочастотное колебание. Тракт низкой частоты – необходимое усиление и дополнительнуюд обработку по низкой частоте.

Чтобы промежуточная  частота оставалась постоянной при  перестройке приемника, необходимо, чтобы  резонансная  частота  преселектора  и частота гетеродина изменялись сопряженно, отличаясь друг от друга на значение  fп. Обеспечение постоянной разности  частоты настройки преселектора и частоты гетеродина  в диапазоне рабочих частот называется сопряжением настройки.  Как и в преобразователе, закон изменения модулирующего параметра сигнала в УПЧ не меняется. Поэтому часть супергетеродинного радиоприемника от входа до детектора называют линейной  относительно модулирующего напряжения высокочастотного сигнала.

При такой схеме недостатки, присущие приемнику прямого усиления, в значительной мере устраняются. Постоянство промежуточной частоты    и возможность выбора ее низкого значения обусловливают достоинства супергетеродина:

·  более высокая и постоянная в диапазоне рабочих частот избирательность.  В тракте промежуточной частоты на постоянной промежуточной частоте можно  использовать сложные избирательные системы (фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), кварцевые, электронно-механические и т. д.). С помощью таких фильтров можно получить достаточно узкие и неизменные полосы пропускания;

·  более высокая и постоянная (равномерная) в диапазоне рабочих частот чувствительность приемника,  так как основное усиление также обеспечивается в тракте промежуточной частоты усилителями с низкой и фиксированной частотой настройки;

·  небольшие нелинейные искажения при детектировании, так как обеспечивается достаточное усиление и работа  детектора  в линейном режиме.

Однако такая схема  приемника имеет и существенные  недостатки по

сравнению с приемником прямого усиления, а именно:

·  нестабильность настройки. Вследствие  нестабильности частоты гетеродина стабильность настройки приемника может быть ниже, чем в приемнике прямого усиления. Отклонение частоты гетеродина от его номинального значения приводит к отклонению фактического значения промежуточной частоты сигнала от номинальной, т.е. от частоты настройки фильтров в тракте промежуточной частоты;

·  возможность излучения колебаний гетеродина в антенну;

·  сравнительная сложность сопряженной перестройки каскадов преселектора и гетеродина  по диапазону.  Вызывается тем, что коэффициент перекрытия входного устройства преселектора отличается от коэффициента перекрытия контура гетеродина; 

·  относительная сложность схемы;

·  наличие побочных каналов приема. 

Приемник супергетеродинного типа помимо основного канала имеет  побочные  каналы  приема. Побочными каналами приема называются полосы

частот, находящиеся за пределами канала, на который настроен радиоприемник, но сигналы которых  могут проходить на выход радиоприемника. Наибольшую опасность представляют зеркальный  канал и  канал  прямого  прохождения промежуточной частоты. Зеркальным  называется побочный канал приема радиосигналов, отличающийся по частоте от частоты настройки радиоприемника на удвоенное значение промежуточной частоты.

Рис. 1.11. Зеркальный канал радиоприема

 

Подавить зеркальный канал можно только в преселекторе. Отметим два очевидных способа  повышения избирательности по зеркальному  каналу. Повышение избирательных  свойств преселектора возможно, во-первых, путем увеличения числа контуров и их добротности и, во-вторых, увеличением значения промежуточной частоты, что позволяет  отодвинуть частоту зеркального канала.

Источником помех в  радиоприемнике является также  канал  прямого прохождения  —  побочный канал приема, включающий в себя промежуточную частоту. Помеха на частоте, равной промежуточной, может проходить через смеситель как через обычный усилитель. УПЧ усиливает помеху канала прямого прохождения так же, как и сигнал. Мешающее действие помехи канала прямого прохождения, как и зеркального канала, может быть ослаблено только в преселекторе.

В супергетеродинном  приемнике существуют также побочные каналы приема, связанные с преобразованием  на гармониках гетеродина.  Вокруг этих гармоник могут располагаться помехи с частотами, отличающимися от них на промежуточную частоту.

Высокие требования к  избирательности одновременно по соседнему  и зеркальному каналам не всегда могут быть достигнуты в супергетеродинном  приемнике с одним преобразованием  частоты. В этом случае в радиоприемном  устройстве применяют двойное преобразование частоты  (рис. 1. 12).

Рис. 1.12. Структурная схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты

 

Первую промежуточную  частоту выбирают значительно выше второй. При  этом частота первого  зеркального канала имеет высокое значение и эффективно подавляется в преселекторе. Напряжение с частотой второго зеркального канала опасно лишь в том случае, если оно попадает на вход второго преобразователя. Помехи этой частоты должны быть подавлены до второго смесителя. Практически это происходит в первом УПЧ.  В профессиональных приемниках коротковолнового диапазона первую промежуточную частоту иногда выбирают значительно выше частоты сигнала. Такие приемники называют  инфрадинными.  В инфрадинном приемнике эффективно разрешается противоречие между требованиями к высокой избирательности по зеркальному и соседнему каналам. При высоких значениях частоты гетеродина на качество радиоприема может оказывать влияние его нестабильность. Здесь особенно важно значение  стабильности частоты  первого гетеродина. Уменьшить влияние нестабильности частоты первого гетеродина можно путем  его выполнения в виде  синтезатора  частоты  с заданным шагом перестройки, представляющего устройство для формирования гармонических колебаний с заданными частотами из колебаний одного или нескольких высокостабильных опорных генераторов.

К недостаткам многократного  преобразования частоты относятся  большое число побочных каналов  приема и сложность схемы приемника.